Сергей Петрович Боткин родился 17 сентября 1832 года (по новому стилю) в семье богатого московского купца первой гильдии Петра Кононовича Боткина. Несмотря на то, что он был одиннадцатым ребёнком в семье, детство прошло в атмосфере достатка и просвещения в окружении московской интеллигенции, что во многом определило его дальнейшую судьбу.

Начальное образование Сергей Петрович получил дома под руководством старшего брата Василия и приглашённых учителей. В 15 лет он поступил в престижный частный пансион Эннеса.

С юных лет Боткин проявлял незаурядные способности к точным наукам и мечтал посвятить себя физико-математическому направлению. Однако отсутствие дворянского происхождения и гимназического образования перечеркнули эти планы, а новый императорский указ оставил молодому человеку единственный путь — медицина. В 1850 году он поступил в Московский университет, где спустя пять лет с отличием завершил обучение.

Выпуск из университета совпал с Крымской войной, и молодой врач сразу отправился работать в прифронтовых госпиталях. Под руководством легендарного Н.И. Пирогова Сергей Петрович получил бесценный опыт, особенно понимание важности бытовых условий и питания для выздоровления пациентов.

После войны последовала длительная стажировка в Европе. Боткин побывал в ведущих клиниках, где работал под руководством выдающихся учёных того времени. Именно там были опубликованы его первые научные труды.

В 1860 году Сергей Петрович начал работу в клинике Санкт-Петербургской медико-хирургической академии. Уже через год, защитив докторскую диссертацию, 29-летний врач получил звание профессора и возглавил клинику, где смог воспитать целую плеяду талантливых учеников.

Как выдающийся организатор медицинского дела, Боткин основал эпидемиологическое сообщество для борьбы с инфекционными заболеваниями, создал первые санитарные службы в Санкт-Петербурге, включая прообраз современной скорой помощи — санитарную карету. Он также открыл и курировал инфекционную больницу.

Значительным вкладом в медицину стало развитие Боткиным санаторно-курортного дела. Особенно его интересовало влияние крымского климата на течение туберкулёза, что привело к строительству нескольких санаториев на Южном берегу Крыма.

Боткин активно развивал женское медицинское образование: в 1874 году открыл женскую фельдшерскую школу, а в 1876 году — женские врачебные курсы. Его общественная деятельность была многогранной: он возглавлял Общество русских врачей, работал в различных медицинских и общественных организациях.

В 1875 году Сергея Петровича Боткина назначили лейб-медиком императорской семьи. Среди его пациентов были не только члены царских особ, но и выдающиеся деятели культуры и науки: Д.И. Менделеев, Ф.М. Достоевский, И.Е. Репин и многие другие. При этом Боткин никогда не отказывал в помощи простым людям, часто лечил бедняков бесплатно.

Как блестящий диагност, Боткин удивлял современников нестандартными методами лечения. Его научная деятельность охватывала различные области: фармакологию, физиологию, клиническую диагностику. Он первым описал инфекционную природу гепатита, ныне известного как болезнь Боткина (Гепатит А), выявил особенности строения белковых молекул, разработал методы диагностики заболеваний почек и внес значительный вклад в развитие кардиологии.

Сергей Петрович Боткин рассматривал организм как единое целое, где все системы взаимосвязаны и зависят от окружающей среды. Центральной нервной системе он отводил особую роль в обеспечении влияния локальных патологических процессов. Его научное наследие включает более 70 трудов по различным медицинским направлениям.